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I condensatori sò unu di i cumpunenti più cumunimenti utilizati nantu à i circuiti. Cum'è u numeru di i dispositi elettronichi (da i telefunini mobile à i vitture) cuntinueghja à aumentà, cusì a dumanda di condensatori. A pandemia di Covid 19 hà disturbatu a catena di fornitura di cumpunenti glubale da i semiconduttori à i cumpunenti passivi, è i condensatori sò stati in pocu fornimentu1.
Discussioni nantu à u tema di i condensatori ponu esse facilmente trasformati in un libru o un dizziunariu. Prima, ci sò sfarenti tippi di capacitors, cum'è capacitors electrolytic, capacitors film, capacitors ceramica è cusì. Allora, in u listessu tipu, ci sò diversi materiali dielettrici. Ci sò ancu diverse classi. In quantu à a struttura fisica, ci sò tippi di condensatori à dui terminali è trè terminali. Ci hè ancu un condensatore di tipu X2Y, chì hè essenzialmente un paru di condensatori Y incapsulati in unu. E supercapacitors? U fattu hè, se vi pusate è cuminciate à leghje e guide di selezzione di condensatori da i principali fabricatori, pudete facilmente passà u ghjornu!
Siccomu stu articulu hè nantu à i principii, aduprà un metudu sfarente cum'è di solitu. Comu diciatu prima, i guide di selezzione di condensatori ponu esse facilmente truvati nantu à i siti web di i fornitori 3 è 4, è l'ingegneri di campu ponu generalmente risponde à a maiò parte di e dumande nantu à i condensatori. In questu articulu, ùn aghju micca ripetitu ciò chì pudete truvà nantu à Internet, ma vi dimustrà cumu sceglie è utilizà condensatori cù esempi pratichi. Certi aspetti menu cunnisciuti di a selezzione di condensatori, cum'è a degradazione di capacità, seranu ancu coperti. Dopu avè lettu stu articulu, duvete avè una bona cunniscenza di l'usu di condensatori.
Anni fà, quandu aghju travagliatu in una sucietà chì facia l'equipaggiu elettronicu, avemu avutu una dumanda di entrevista per un ingegnere di l'elettronica di putenza. Nantu à u schema schematicu di u pruduttu esistente, dumanderemu à i candidati potenziali "Chì hè a funzione di u condensatore elettroliticu DC link?" è "Chì hè a funzione di u condensatore ceramicu situatu vicinu à u chip?" Speremu chì a risposta curretta hè u condensatore di l'autobus DC Adupratu per l'almacenamiento d'energia, i condensatori ceramichi sò usati per filtru.
A risposta "corretta" chì circhemu mostra in realtà chì tutti in a squadra di disignu guardanu i condensatori da una perspettiva di circuitu simplice, micca da una perspettiva di a teoria di u campu. U puntu di vista di a teoria di u circuitu ùn hè micca sbagliatu. À frequenze bassu (da uni pochi kHz à uni pochi MHz), a teoria di circuitu pò spiegà u prublema bè. Questu hè perchè à frequenze più bassu, u signale hè principalmente in modu differenziale. Utilizendu a teoria di u circuitu, pudemu vede u condensatore mostratu in a Figura 1, induve a resistenza di serie equivalente (ESR) è l'induttanza di serie equivalente (ESL) facenu chì l'impedenza di u condensatore cambie cù a frequenza.
Stu mudellu spiega cumplettamente u rendiment di u circuitu quandu u circuitu hè cambiatu lentamente. Tuttavia, cum'è a frequenza aumenta, e cose diventanu più è più complicate. À un certu puntu, u cumpunente cumencia à mostrà a non-linearità. Quandu a frequenza aumenta, u mudellu LCR simplice hà e so limitazioni.
Oghje, s'ellu mi facianu a stessa quistione di l'intervista, aghju purtatu i mo occhiali d'osservazione di a teoria di u campu è dicenu chì i dui tipi di condensatori sò dispusitivi di almacenamiento d'energia. A diferenza hè chì i condensatori elettrolitichi ponu almacenà più energia chì i condensatori ceramichi. Ma in termini di trasmissione di energia, i condensatori ceramichi ponu trasmette energia più veloce. Questu spiega perchè i condensatori ceramichi anu da esse posti vicinu à u chip, perchè u chip hà una freccia di cunversione più altu è a velocità di cunversione cumparatu cù u circuitu di putenza principale.
Da questa perspettiva, pudemu solu definisce dui standard di rendiment per i condensatori. Unu hè quantu energia u capacitore pò almacenà, è l'altru hè quantu veloce sta energia pò esse trasferita. Tramindui dipendenu da u metudu di fabricazione di u condensatore, u materiale dielettricu, a cunnessione cù u condensatore, è cusì.
Quandu u switch in u circuitu hè chjusu (vede a Figura 2), indica chì a carica necessita energia da a fonte di energia. A velocità à a quale stu switch si chjude determina l'urgenza di a dumanda di energia. Siccomu l'energia viaghja à a vitezza di a luce (a mità di a vitezza di a luce in i materiali FR4), ci vole u tempu per trasfiriri l'energia. Inoltre, ci hè una discrepanza di impedenza trà a fonte è a linea di trasmissione è a carica. Questu significa chì l'energia ùn serà mai trasfiruta in un viaghju, ma in parechji viaghji di andata e ritorno5, chì hè per quessa chì quandu u cambiamentu hè cambiatu rapidamente, vedemu ritardi è sonu in a forma d'onda di commutazione.
Figura 2: Ci vole u tempu per l'energia per propagate in u spaziu; A discrepanza di impedenza provoca parechje volte di trasferimentu di energia.
U fattu chì a consegna di l'energia piglia u tempu è parechji viaghji di andata ci dice chì avemu bisognu di trasfurmà l'energia u più vicinu pussibule à a carica, è avemu bisognu di truvà un modu per trasmette rapidamente. U primu hè generalmente ottinutu riducendu a distanza fisica trà a carica, u switch è u condensatore. L'ultime hè ottenuta riunendu un gruppu di condensatori cù l'impedenza più chjuca.
A teoria di u campu spiega ancu ciò chì provoca u rumore di modu cumuni. In breve, u rumore di modu cumuni hè generatu quandu a dumanda di energia di a carica ùn hè micca soddisfatta durante u cambiamentu. Dunque, l'energia almacenata in u spaziu trà a carica è i cunduttori vicini serà furnita per sustene a dumanda di u passu. U spaziu trà a carica è i cunduttori vicini hè ciò chì chjamemu capacità parasita / mutuale (vede a Figura 2).
Utilizemu l'esempii seguenti per dimustrà cumu utilizà condensatori elettrolitici, condensatori ceramici multistrati (MLCC) è condensatori di film. Sia a teoria di u circuitu è ​​di u campu sò aduprate per spiegà u funziunamentu di i condensatori selezziunati.
I condensatori elettrolitici sò principarmenti usati in u ligame DC cum'è a fonte di energia principale. L'scelta di un condensatore elettroliticu spessu dipende da:
Per u rendiment EMC, e caratteristiche più impurtanti di i condensatori sò l'impedenza è e caratteristiche di frequenza. L'emissioni cundutte à bassa frequenza dipendenu sempre da u rendiment di u condensatore di ligame DC.
L'impedenza di u ligame DC dipende micca solu da l'ESR è ESL di u condensatore, ma ancu da l'area di u ciclu termale, cum'è mostra in a Figura 3. Una zona di ciclu termale più grande significa chì u trasferimentu d'energia dura più longu, cusì u rendiment. serà affettatu.
Un convertitore DC-DC step-down hè statu custruitu per pruvà questu. L'installazione di test EMC di pre-conformità mostrata in a Figura 4 esegue una scansione di emissioni realizata trà 150kHz è 108MHz.
Hè impurtante per assicurà chì i condensatori utilizati in stu studiu di casu sò tutti da u stessu fabricatore per evità differenze in e caratteristiche d'impedenza. Quandu salda u condensatore nantu à u PCB, assicuratevi chì ùn ci sò micca longhi cundutti, perchè questu aumentarà l'ESL di u condensatore. A figura 5 mostra e trè cunfigurazioni.
I risultati di l'emissioni cundutte di sti trè cunfigurazioni sò mostrati in a Figura 6. Pò esse vistu chì, cumparatu cù un solu capacitore 680 µF, i dui capacitors 330 µF ghjunghjenu un rendimentu di riduzzione di rumore di 6 dB nantu à una gamma di freccia più larga.
Da a teoria di u circuitu, si pò dì chì cunnessu dui condensatori in parallelu, ESL è ESR sò dimezzati. Da u puntu di vista di a teoria di u campu, ùn ci hè micca solu una fonte d'energia, ma duie fonti d'energia sò furnite à a listessa carica, riducendu in modu efficace u tempu di trasmissione di energia generale. Tuttavia, à frequenze più elevate, a differenza trà dui condensatori 330 µF è un condensatore 680 µF si riduce. Questu hè chì u rumore d'alta frequenza indica una risposta insufficiente di l'energia di u passu. Quandu si move un condensatore 330 µF più vicinu à l'interruttore, riducemu u tempu di trasferimentu d'energia, chì aumenta in modu efficace a risposta di u passu di u condensatore.
U risultatu ci dice una lezione assai impurtante. Aumentà a capacità di un condensatore unicu ùn generalmente sustene micca a dumanda di passu per più energia. Sè pussibule, aduprate alcuni cumpunenti capacitivi più chjuchi. Ci hè parechje boni ragiuni per questu. U primu hè u costu. In generale, per a stessa dimensione di pacchettu, u costu di un condensatore aumenta in modu esponenziale cù u valore di capacità. Utilizà un condensatore unicu pò esse più caru cà l'usu di parechji condensatori più chjuchi. A seconda ragione hè a dimensione. U fattore limitante in u disignu di u produttu hè di solitu l'altezza di i cumpunenti. Per i condensatori di grande capacità, l'altezza hè spessu troppu grande, chì ùn hè micca adattatu per u disignu di u produttu. U terzu mutivu hè u rendiment EMC chì avemu vistu in u studiu di casu.
Un altru fattore da cunsiderà quandu si usa un condensatore elettroliticu hè chì quandu cunnette dui condensatori in serie per sparte a tensione, avete bisognu di una resistenza di equilibriu 6.
Cumu l'esitatu prima, i condensatori ceramichi sò apparecchi in miniatura chì ponu furnisce rapidamente energia. Mi sò spessu dumandatu a quistione "Quantu capacitore aghju bisognu?" A risposta à sta quistione hè chì per i condensatori ceramichi, u valore di capacità ùn deve esse cusì impurtante. L'impurtante cunsiderazione quì hè di determinà à quale frequenza a velocità di trasferimentu di energia hè abbastanza per a vostra applicazione. Se l'emissione cundutta falla à 100 MHz, allura u condensatore cù l'impedenza più chjuca à 100 MHz serà una bona scelta.
Questu hè un altru malintesi di MLCC. Aghju vistu chì l'ingegneri passanu assai energia scegliendu condensatori ceramichi cù l'ESR è l'ESL più bassu prima di cunnette i condensatori à u puntu di riferimentu RF attraversu tracce longu. Hè nutate chì l'ESL di MLCC hè di solitu assai più bassu di l'induttanza di cunnessione nantu à u bordu. L'induttanza di cunnessione hè sempre u paràmetru più impurtante chì afecta l'impedenza d'alta frequenza di i condensatori ceramici7.
A figura 7 mostra un cattivu esempiu. Tracce longu (0,5 inch long) introducenu almenu 10nH inductance. U risultatu di simulazione mostra chì l'impedenza di u condensatore diventa assai più altu di l'espertu à u puntu di freccia (50 MHz).
Unu di i prublemi cù i MLCCs hè chì tendenu à resonate cù a struttura induttiva nantu à u bordu. Questu pò esse vistu in l'esempiu mostratu in a Figura 8, induve l'usu di un MLCC 10 µF introduce una risonanza à circa 300 kHz.
Pudete riduce a resonance scegliendu un cumpunente cù un ESR più grande o simpricimenti mettendu una resistenza di pocu valore (cum'è 1 ohm) in serie cù un condensatore. Stu tipu di mètudu usa cumpunenti lossy à suppressione u sistema. Un altru mètudu hè di utilizà un altru valore di capacità per trasfurmà a resonance à un puntu di resonance più bassu o più altu.
I condensatori di film sò usati in parechje applicazioni. Sò i condensatori di scelta per i cunvertitori DC-DC d'alta putenza è sò usati cum'è filtri di suppressione EMI in e linee elettriche (AC è DC) è cunfigurazioni di filtrazione in modu cumuni. Pigliemu un condensatore X cum'è un esempiu per illustrà alcuni di i punti principali di l'usu di condensatori di film.
Se si verifica un avvenimentu di surge, aiuta à limità l'estressi di tensione di punta nantu à a linea, cusì hè generalmente utilizatu cù un suppressore di tensione transitoria (TVS) o varistore d'ossidu metallicu (MOV).
Pudete digià sapè tuttu questu, ma sapete chì u valore di capacità di un condensatore X pò esse ridutta significativamente cù anni di usu? Questu hè soprattuttu veru se u condensatore hè adupratu in un ambiente umitu. Aghju vistu u valore di capacità di u condensatore X solu scende à un pocu per centu di u so valore nominale in un annu o dui, cusì u sistema originale cuncepitu cù u condensatore X hà persu in realtà tutta a prutezzione chì u condensatore front-end puderia avè.
Allora, chì hè accadutu? L'aria di l'umidità pò fughje in u condensatore, sopra u filu è trà a scatula è u compostu di potting epoxy. A metallizazione di l'aluminiu pò esse oxidatu. L'alumina hè un bon insulatore elettricu, riducendu cusì a capacità. Questu hè un prublema chì tutti i condensatori di film scontru. U prublema chì parlu hè u spessore di film. I marchi di condensatori reputati utilizanu filmi più grossi, chì risultanu in condensatori più grande di l'altri marchi. U film più diluente rende u capacitore menu robustu à a sobrecarga (tensione, currente, o temperatura), è hè improbabile di guarisce.
Se u condensatore X ùn hè micca cunnessu in permanenza à l'alimentazione, allora ùn avete micca bisognu di preoccupari. Per esempiu, per un pruduttu chì hà un interruttore duru trà l'alimentazione è u condensatore, a dimensione pò esse più impurtante di a vita, è pudete sceglie un condensatore più fino.
Tuttavia, se u condensatore hè cunnessu in permanenza à a fonte di energia, deve esse assai affidabile. L'oxidazione di i condensatori ùn hè micca inevitabbile. Se u materiale epoxy capacitor hè di bona qualità è u capacitor ùn hè micca spessu espunutu à temperature estreme, a caduta di u valore deve esse minima.
In questu articulu, prima introduttu a teoria di u campu di vista di i condensatori. Esempi pratichi è risultati di simulazione mostranu cumu selezziunà è aduprà i tipi di condensatori più cumuni. Spergu chì sta infurmazione pò aiutà à capisce u rolu di i condensatori in u disignu elettronicu è EMC più cumpletu.
Dr Min Zhang hè u fundatore è u cunsultante capu EMC di Mach One Design Ltd, una sucietà di ingegneria basatu in u Regnu Unitu specializata in cunsulenza EMC, risoluzione di prublemi è furmazione. A so cunniscenza prufonda in l'elettronica di putenza, l'elettronica digitale, i mutori è u disignu di u produttu hà benefiziu l'imprese in u mondu.
In Compliance hè a fonte principale di nutizie, informazioni, educazione è ispirazione per i prufessiunali di l'ingegneria elettrica è elettronica.
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